李 巖 李琳燁 張青松

（承德應用技術職業(yè)學院，河北 承德 067000）

1 概述

在綠色低碳的趨勢下，新能源汽車成為我國發(fā)展的重點方向。新能源汽車空調系統(tǒng)的工作由動力電池替代發(fā)動機，在新能源汽車使用空調時影響其動力性與續(xù)航里程。光伏電池將光轉為直流電供半導體制冷組成的制冷系統(tǒng)引入新能源汽車空調中，半導體制冷過程不使用制冷劑，在提高新能源汽車動力性的同時節(jié)能環(huán)保。

目前，王曉婓等[1]對于針對汽車，設計并搭建光伏板半導體制冷空調系統(tǒng)，并通過仿真模擬與實驗驗證了車用半導體制冷空調的可行性。我國甘蕓華[2]將半導體空調引入微型電動汽車，根據(jù)微型汽車結構設計半導體空調系統(tǒng)，為電動車空調方案提供參考。

在國外Kashif Irshad[3]利用光伏電池板與半導體制冷片相結合，設計空調墻體，實驗表明：半導體片在9A 電流時，室內外溫差最大為6.8℃。Liu[4]等利用光伏板和半導體設計了制冷空調，這種新型制冷空調可供應熱水，實驗表明:空間制冷系數(shù)可達4.51，在水加熱后性能可達3.01。

國內外學者在光伏半導體制冷方面都有一定的研究，由于制冷片的制冷量較小，易受外界環(huán)境因素變化影響，制冷效果不穩(wěn)定。與之相比，半導體空調作為輔助制冷聯(lián)合壓縮機工作，提高制冷效果穩(wěn)定性。

本文從半導體片制冷的效果與制冷特點，設計搭建光伏發(fā)電供半導體車用空調，并與新能源汽車原有空調系統(tǒng)聯(lián)合使用，提高新能源汽車在使用空調時的續(xù)航里程與動力性。

2 光伏發(fā)電及空調制冷原理

2.1 光伏電池板發(fā)電原理

光伏發(fā)電利用半導體的光伏效應將太陽能轉化為電能的一種技術。太陽能輻射直接轉為電能的半導體關鍵器件為光伏電池[5]。

2.2 半導體制冷原理

在直流電通過兩種不同材料的導體或者半導體組成的閉合回路時，在產(chǎn)生焦耳熱現(xiàn)象外，在不同材料的導體兩端的對接點，分別產(chǎn)生吸熱和放熱的現(xiàn)象，此現(xiàn)象稱為帕爾貼效應[6]。

2.3 新能源汽車空調制冷原理

新能源汽車采用壓縮機式空調制冷，其原理是壓縮機將從蒸發(fā)器出來的低溫低壓制冷劑壓縮成高溫高壓的過熱蒸氣，過熱蒸氣從壓縮機出來后進入冷凝器。高溫高壓的過熱蒸氣溫度高于外接環(huán)境溫度，且其壓力使制冷劑能在低溫下冷凝成液體狀態(tài)，在冷凝器內，高溫高壓的氣體成為高壓常溫液體。常溫高壓的液體經(jīng)過膨脹閥，使得壓力下降的同時，液體因沸騰蒸發(fā)而吸收周圍環(huán)境熱量，使得周圍空氣溫度下降來達到制冷降溫的目的。

3 光伏半導體空調實驗平臺設計

3.1 實驗平臺組成

新能源汽車空調輔助系統(tǒng)實驗平臺主要由光伏電池板、太陽能控制器、蓄電池、半導體制冷片、溫度測量儀和汽車空間模型組成，實驗平臺組成如圖1 所示。

圖1 光伏半導體制冷系統(tǒng)示意圖

3.2 實驗平臺設備選型（表1）

表1 實驗設備選型

熱端風扇電壓對系統(tǒng)制冷性能的影響：

根據(jù)李國超[7]對制冷空間冷負荷的計算評估，制冷空間從30℃降到20℃的冷負荷為102W，根據(jù)預估冷負荷得到的制冷元件的選型如下：

光伏電池板的選擇：根據(jù)承德當?shù)氐墓庹諒姸惹闆r以及實驗用電量需求，實驗平臺選擇功率為2 塊200W 多晶硅電池板，且電池板安裝角度為30°。

圖2 太陽能控制器實物

實驗用制冷空間為模擬新能源汽車空間制作，采用泡沫板制作而成，其尺寸按照北京新能源汽車EV360 試車：模擬空間比例1:0.5 制作而成。制冷空間實物如圖3-5。

圖3 蓄電池實物

為了滿足制冷實驗需求，采用型號為TEC1-12708 制冷片進行相關實驗。該制冷片為冷熱兩端帶陶瓷絕緣片的單級半導體制冷片，選取4 片即可滿足預估冷負荷需求。制冷片參數(shù)如表2。

圖4 測溫儀器實物

圖5 制冷測試空間

表2 半導體制冷片參數(shù)

3.3 光伏半導體空調系統(tǒng)與壓縮機空調結合設計

減緩新能源汽車使用電動壓縮機空調對續(xù)航里程的消耗,以及電動壓縮機空調制冷劑的對環(huán)境的危害，將半導體制冷裝置引入新能源汽車車內，由于半導體制冷片的制冷量不足以位置整個車內熱負荷，所以只能對空調制冷起到輔助作用。半導體制冷片安裝與空調風道總口上，在空調的風道內安裝四個半導體制冷片。

半導體制冷裝置如圖6 所示是由半導體制冷片、水泵、散熱水排、風扇、導熱片、出風口和水箱組成。制冷片分為熱端與冷端，與散熱水排連接為熱端，通過水將熱端熱量傳到散熱水排，通過水排將熱量散到環(huán)境中，水泵的作用是將水箱內的水在系統(tǒng)中循環(huán)，冷端與出風口相連，制冷片的冷風由風扇送入出風口進入車內。

圖6 半導體制冷系統(tǒng)示意圖

新能源汽車傳統(tǒng)空調半導體制冷輔助系統(tǒng)，如圖7 所示包括控制器、溫度傳感器、半導體制冷裝置、汽車蓄電池、太陽能蓄電池、光伏板、電動壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、變頻器、出風口。

圖7 光伏半導體空調輔助系統(tǒng)示意圖

太陽能供電裝置包括與控制器1 電性連接的太陽能蓄電池5，太陽能蓄電池5 還連接有安裝在車頂上的光伏板6，光伏板6 傾斜設置，并且在光伏板6 上增加光敏元件，通過光敏元件控制光伏板6 下的角度轉動裝置，使光伏板6根據(jù)太陽位置調整位置?？刂破? 電性連接有電動壓縮機7，電動壓縮機7 連接有兩個冷凝器9 和蒸發(fā)器8，控制器1和電動壓縮機7 之間設有變頻器10，兩個冷凝器9 分別與電動壓縮機7 連接，提高搭載半導體制冷輔助系統(tǒng)后現(xiàn)有空調機制的制冷和換熱效率。

車廂內設置的溫度傳感器2 由PLC 控制，判斷在電動壓縮機7 工作時車內溫度是否為人體舒適溫度，若車內溫度下降為人體舒適溫度，則電動壓縮機7 停止工作，半導體制冷輔助系統(tǒng)開始工作，實時控制，保持溫度恒定。

半導體制冷輔助系統(tǒng)打開后，判斷當前溫度是否在設定人體舒適溫度溫度區(qū)間內，同時判斷光伏板6 上的光照強度,是否需要給汽車蓄電池4 充電，光伏板6 電流不足時，則啟動汽車蓄電池4 作為主要能源進行供電。若高于人體舒適溫度，則半導體制冷輔助系統(tǒng)停止工作，電動壓縮機7空調開始工作。

4 太陽能半導體空調輔助系統(tǒng)性能測試

4.1 新能源汽車壓縮機空調耗能測試

實驗將以新能源汽車如圖8 所示為對象，測試開啟新能源汽車壓縮機空調實際的消耗里程數(shù)。通過儀表盤如圖9 所示中得到續(xù)航里程等數(shù)據(jù)。

圖8 新能源汽車實物

圖9 新能源汽車儀表盤實物

測試過程中，環(huán)境溫度測得28℃，開啟汽車電源，汽車檔位至于P 檔，車速為0km/h，將空調A/C 打開，空調溫度調至最低，測試三種不同風速檔位下，空調使用的消耗續(xù)航里程數(shù)。得出數(shù)據(jù)如表3。

表3 使用空調消耗續(xù)航里程表

測試小時共用4 小時，在不同檔位出風速度、相同出風溫度下消耗的里程數(shù)，開空調后每小時平均消耗續(xù)航數(shù)為6-8km。

4.2 半導體空調輔助系統(tǒng)測試

將光伏發(fā)電半導體空調輔助系統(tǒng)組裝連接，如圖10 所示，測試環(huán)境溫度為28℃，整個系統(tǒng)置于室內，測試環(huán)境溫度相對穩(wěn)定。在模擬車內空間里放置半導體空調輔助系統(tǒng)，在半導體空調出風口與車內空間分別放置溫度測量儀器。

圖10 光伏半導體空調輔助系統(tǒng)實物圖

接入半導體空調輔助系統(tǒng)工作，半導體制冷系統(tǒng)需要一定時間才能保持出風溫度的穩(wěn)定性，經(jīng)過10min 的時間出風溫度穩(wěn)定后，測試能維持車內溫度時間，測試結果如表4。

表4 輔助系統(tǒng)溫度測試表

通過1h 的時間測算，車內溫度升高1.5℃，在輔助系統(tǒng)運行20min 后溫度開始升高，若對駕駛人員局部降溫，半導體空調輔助系統(tǒng)可一直代替新能源汽車壓縮機空調使用，若對車內溫度整體降溫，在空調輔助系統(tǒng)工作20min 后，壓縮機空調需要開啟。

5 結論

本文設計并搭建了新能源汽車半導體空調輔助系統(tǒng)平臺，通過測試得出：在1h 內，開啟壓縮機空調消耗里程數(shù)在6-8km，接入半導體空調輔助系統(tǒng)后，若對駕駛員進行局部降溫，可以直接關閉壓縮機空調，此時節(jié)省續(xù)航里程為6-8km，若考慮車內整體溫度舒適性，在20min 中后，開啟壓縮機空調，在1h 時間內，節(jié)省續(xù)航2-3km，節(jié)約的續(xù)航里程占比為33%-37.5%。